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제안 방법
- 개발된 추진제의 연소속도 및 기계적 물성 등 특성을 바탕으로 내탄도, 구조 및 열 해석을 수행하여 파이로스타터의 설계가 완료 되었다. Fig. 2에서 보듯이 연소관, 점화기, 추진제 그레인, 노즐 부로 구성되어 있으며, 단 시간 동안 높은 구동력을 발생하도록 연소면적을 최대로 확보 할 수 있는 추진제 그레인 형상을 설계하였다.
- 고온에서의 장시간 열에 의해 노출이 되기 때문에 열특성이 우수하고 요구조건인 무게 경량화 그리고 TVC 성능을 만족하는 노즐을 개발하였다. Hydroclave를 이용한 노즐단열재 성형기술, Tape wrapping 공정을 적용한 노즐 확장부 제작 기술, 가압 상태에서의 노즐 구동시험 등 핵심 기술을 확보하였으며 연소시험 및 분석을 통하여 열, 구조적 특성을 검증하였다.
- 개발된 추진제의 연소속도 및 기계적 물성 등 특성을 바탕으로 내탄도, 구조 및 열 해석을 수행하여 파이로스타터의 설계가 완료 되었다. Fig.
- 내탄도 성능 분석과 제작성 등을 고려하여 팽창각은 35로 결정하였다. 고온에서의 장시간 열에 의해 노출이 되기 때문에 열특성이 우수하고 요구조건인 무게 경량화 그리고 TVC 성능을 만족하는 노즐을 개발하였다. Hydroclave를 이용한 노즐단열재 성형기술, Tape wrapping 공정을 적용한 노즐 확장부 제작 기술, 가압 상태에서의 노즐 구동시험 등 핵심 기술을 확보하였으며 연소시험 및 분석을 통하여 열, 구조적 특성을 검증하였다.
- 일반적인 고체 추진제로는 AP 계열의 복합추진제를 많이 사용하고 있지만, 우주발사체용으로는 연소배기가스의 친환경성 및 터빈 소재의 부식 등을 고려하여 AP의 사용을 배제하고 있다. 따라서 파이로스타터용 추진제 개발에서 산화제로 RDX를적용하였으며, 낮은 연소온도를 만족하기 위해 oxygen balance가 유리하고 비교적 점화성이 높은 DHG를 냉각제로 사용하였다. 산화제를 소량 사용하기 때문에 에너지 측면에서 보완하고자 밀도가 높고 휘발성이 낮은 TMETN을 고에너지 가소제로 사용하였으며, 바인더로는 TMETN과 상용성이 좋은 PCP를 사용하고 경화제로 IPDI 와 N-100을 사용하였다.
- 킥모타의 연소관은 필라멘트 와인딩 제작 공법을 적용하여 복합재 연소관을 개발하였다. 복합재의 Fiber와 Matrix는 높은 비강성 및 비강도를 가지는 탄소섬유와 에폭시 계열의 수지를 사용하여 제작하였다. 연소관에 대한 구조해석을 위하여 기하학적 비선형성을 고려한 유한요소법을 적용하였고 연소관 돔 부위에서의 기하학적 비선형성을 고려하여 ANSYS로 해석을 수행하였다.
- 고공환경 모사 시험설비는 크게 시험장, 추력측정시스템, 디퓨저, 냉각수 공급시스템으로 크게 분류된다. 시험장과 추력측정시스템은 설계요구조건에 맞도록 안전에 우선하여 설계/시공하였고 킥모타의 연소가스 초음속 유체를 실린더 및 콘 형상의 디퓨져를 통해 경사/수직 충격파 발생을 유도함으로써 노즐 끝단의 진공 분위기를 조성하였다. 설비 입증시험을 총3회 수행하였으며, 이로부터 문제점을 도출하고 보완한 후 실물형 추진 기관 고공환경모사 시험을 2회 수행하여 최종 환경에서의 성능을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 킥모타의 실제 작동환경인 고고도에서 안정적 운용이 가능하도록 HTPB/AP를 기반으로 하는 무가소제 타입의 복합형 추진제 조성을 개발하였다. 실제 모타에 적용하기 전 표준모타를 제작 하여 여러차례의 연소시험을 통해 결과를 입증 하였고 고고도에서의 점화성을 검증하기 위해 진공성능 또한 시험실시 하였다. 고비추력 285sec를 만족시키기 위하여 고성능 산화제인 HMX를 사용하였다.
- 복합재의 Fiber와 Matrix는 높은 비강성 및 비강도를 가지는 탄소섬유와 에폭시 계열의 수지를 사용하여 제작하였다. 연소관에 대한 구조해석을 위하여 기하학적 비선형성을 고려한 유한요소법을 적용하였고 연소관 돔 부위에서의 기하학적 비선형성을 고려하여 ANSYS로 해석을 수행하였다. 수압보증 시험을 통하여 연소관의 스트레인 분포 결과와도 비교하여 해석의 타당성을 확인하였으며 각종 구조시험을 통한 연소관의 구조무게 감량과 지상연소 시험을 통한 내열재의 열적인 특성 등을 확인하여 무게 감량을 수행하여 대형 추진기관에 적용되는 경량화 복합재 연소관의 개발을 완료 하였다.
- 제시된 체계요구조건을 만족시키기 위하여 점진 감쇄형 내탄도 성능곡선이 요구되었다. 이를 만족시키기 위하여 후방 radial slotted tube형 그레인을 채택하였다. 후방 슬롯형태의 그레인을 제작하기 위하여 분할형 코아 설계기술을 개발하였고 실제 제작에 응용하였다.
- 최종적인 성능평가를 위해 개발된 추진제를 적용한 파이로스타터 시제품을 제작하고, 지상연소시험을 실시하여 연소압력, 추력, 질유량, 연소 시간, 화염온도 등을 측정하였다. 그 결과 평균 압력은 1,600psi, 평균 질유량은 1.
- 킥모타 실물형 추진기관은 2008년 개발완료까지 총 10회의 지상연소시험을 수행하여 지상 환경에서의 성능을 검증하였다.
- 킥모타의 실제 작동환경인 고고도에서 안정적 운용이 가능하도록 HTPB/AP를 기반으로 하는 무가소제 타입의 복합형 추진제 조성을 개발하였다. 실제 모타에 적용하기 전 표준모타를 제작 하여 여러차례의 연소시험을 통해 결과를 입증 하였고 고고도에서의 점화성을 검증하기 위해 진공성능 또한 시험실시 하였다.
- 킥모타의 연소관은 필라멘트 와인딩 제작 공법을 적용하여 복합재 연소관을 개발하였다. 복합재의 Fiber와 Matrix는 높은 비강성 및 비강도를 가지는 탄소섬유와 에폭시 계열의 수지를 사용하여 제작하였다.
- 이를 만족시키기 위하여 후방 radial slotted tube형 그레인을 채택하였다. 후방 슬롯형태의 그레인을 제작하기 위하여 분할형 코아 설계기술을 개발하였고 실제 제작에 응용하였다. 추진기관의 성능을 사전에 파악하기 위해서 내탄도 해석 프로그램을 통하여 성능을 예측하였고 지상시험결과와 비교, 분석 하였다.
대상 데이터
- 실제 모타에 적용하기 전 표준모타를 제작 하여 여러차례의 연소시험을 통해 결과를 입증 하였고 고고도에서의 점화성을 검증하기 위해 진공성능 또한 시험실시 하였다. 고비추력 285sec를 만족시키기 위하여 고성능 산화제인 HMX를 사용하였다.
- 따라서 파이로스타터용 추진제 개발에서 산화제로 RDX를적용하였으며, 낮은 연소온도를 만족하기 위해 oxygen balance가 유리하고 비교적 점화성이 높은 DHG를 냉각제로 사용하였다. 산화제를 소량 사용하기 때문에 에너지 측면에서 보완하고자 밀도가 높고 휘발성이 낮은 TMETN을 고에너지 가소제로 사용하였으며, 바인더로는 TMETN과 상용성이 좋은 PCP를 사용하고 경화제로 IPDI 와 N-100을 사용하였다. 기타 안정제와 결합제 및 경화 촉매를 사용하였다.
데이터처리
- 후방 슬롯형태의 그레인을 제작하기 위하여 분할형 코아 설계기술을 개발하였고 실제 제작에 응용하였다. 추진기관의 성능을 사전에 파악하기 위해서 내탄도 해석 프로그램을 통하여 성능을 예측하였고 지상시험결과와 비교, 분석 하였다.
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